JP3864684B2 - Joining method - Google Patents
Joining method Download PDFInfo
- Publication number
- JP3864684B2 JP3864684B2 JP2000266932A JP2000266932A JP3864684B2 JP 3864684 B2 JP3864684 B2 JP 3864684B2 JP 2000266932 A JP2000266932 A JP 2000266932A JP 2000266932 A JP2000266932 A JP 2000266932A JP 3864684 B2 JP3864684 B2 JP 3864684B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- probe
- melting point
- oxygen
- joining
- metal member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに融点が異なる2つの金属部材を重ね合わせた状態で摩擦攪拌接合する接合方法に関する。尚、本明細書において、アルミニウムにはアルミニウム合金も含まれている。
【0002】
【従来の技術】
融点が異なる2つの金属部材、例えばアルミニウム部材と銅部材との接合において、TIGやMIG溶接などによる直接溶融法を用いると、接合部に金属間化合物を生成し易い。これを避けるため、上記接合には、摩擦圧接、爆発圧接、あるいはロウ付けなどの方法が用いられている。
しかし、アルミニウム部材と銅部材との接合に摩擦圧接を用いた場合、被接合部材の断面形状が、棒材や管材などに限定されてしまう。また、爆発圧接を用いた場合にも、被接合部材の断面形状が制限されると共に、コスト高になる。更に、ロウ付けを用いた場合、接合部における品質の安定性を欠くと共に、高温に加熱された場合に得られた接合製品が変形し易くなる、という問題があった。
【0003】
以上の問題を解決して、互いに融点が異なるアルミニウム部材とその他の金属部材とを接合するため、摩擦攪拌接合を用いることが提案されている。例えば、アルミニウム部材と異種金属部材とを重ね合わせた接合部に、高速回転するプローブを接触させその摩擦熱により軟化させて摩擦攪拌接合する際、上記両部材のうち強度の高い部材側からプローブを接触させる接合方法が提案されている(特開平10−137952号公報参照)。しかし、この接合方法では、プローブの重合部付近への挿入が困難であると共に、係るプローブを含む接合ツールの寿命も短くなるため、工程管理が煩雑で且つコスト高になるという問題があった。
【0004】
また、図6(A)に示すように、アルミニウム部材31と銅部材32とを重ね合わせた重合部33付近に、接合ツール34の回転する円柱形の回転子36における底面37の中心から垂下するプローブ38を挿入し、両部材31,32を摩擦熱により軟化して攪拌することにより接合するに際し、上記プローブ38を軟質のアルミニウム部材31側から挿入する、という接合方法も提案されている(特開平10−328855号公報参照)。この接合方法によれば、軟質のアルミニウム部材31の可塑化が容易なため、プローブ38の挿入も容易となり、両部材31,32の金属同士の攪拌もスムーズに行えるため、重合部33付近に欠陥が発生せず接合強度が向上する、という利点を有する。
【0005】
しかしながら、プローブ38を含む接合ツール34や接合条件の選定如何によっては、接合部に欠陥を生じることがある。即ち、図6(A)に示すように、上記部材31,32への入熱は、これらとプローブ38および底面(ショルダ)37との摩擦に起因するが、その多くは上記底面37との摩擦による。このため、重合部33付近における入熱量は、底面37寄りで多くなり、プローブ38の先端側で少なくなる。このため、軟質のアルミニウム部材31側からプローブ38を挿入した場合、プローブ38の先端付近に位置する硬質の銅部材32への入熱量が少なくなる。この結果、図6(B)に示すように、銅部材32中において銅材料の流動不足が生じるため、接合部Wにおけるプローブ38の先端付近の位置に内部欠陥(空洞)K1を生じる、という問題がある。
一方、プローブ38および回転子36の回転数を上げて、プローブ38の先端寄りの位置における入熱量を増やそうとすると、アルミニウム部材31側への入熱量が一層増加し且つアルミニウム部材31の流動抵抗が著しく低下する。この結果、図6(C)に示すように、前記底面37の付近からアルミニウム部材31の一部が外部に漏れ出すことにより表面欠陥K2を生じる、という問題がある。
【0006】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、融点が互いに異なる金属部材同士を摩擦攪拌接合するに際し、内部や表面付近に欠陥のない健全な接合部を確実に得られる接合方法を提供する、ことを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するため、接合ツールにおけるプローブ先端寄りの付近における入熱量を増やすこと等に着想して成されたものである。
即ち、本発明の接合方法は、融点が互いに異なる一対の金属部材を重ね合わせる工程と、上記一対の金属部材のうち、低融点側の金属部材の表面付近に円柱形の本体とその底面に突設したプローブとを有する接合ツールを配置し、且つ高融点側の金属部材における上記接合ツールと対向する裏面付近に裏当材を配置する工程と、上記接合ツールを回転させつつ上記一対の金属部材の重合部付近に進入させ且つ係る重合部の長手方向に沿って移動させることにより、上記一対の金属部材をその重合部に沿って摩擦攪拌接合する工程と、を含み、上記裏当材は、高融点側の金属部材よりも低い熱伝導率のもので、且つ加熱手段を有するものである、ことを特徴とする。
【0008】
これによれば、接合ツールにおける本体よりも細径のプローブ先端付近のみに接触する高融点側の金属部材における摩擦熱が裏面側へ逃げる事態を阻止し、高融点側の金属部材の流動・攪拌部分における温度低下を抑制できる。このため、係る高融点側の金属部材における流動不足が解消される。しかも、プローブの先端付近と摩擦して発熱する高融点側の金属部材における摩擦熱が、当該金属部材の裏面側から放出される事態を防止でき、高融点側の金属部材における温度低下を抑制できる。更に、上記放熱を防ぐと共に裏面側から積極的に加熱することで、高融点側の金属部材の重合部付近における温度降下を防止することができる。
従って、低・高融点の2つの金属部材における重合部付近において、両部材の金属が互いに塑性流動しつつ攪拌されるため、内部欠陥および表面欠陥のない健全な接合部を形成する摩擦攪拌接合を行うことができる。
【0009】
尚、前記摩擦攪拌接合は、固相状態で2つの金属部材を軟化させて接合する方法であり、接合部には金属間化合物を生成せず、且つ接合部の付近に熱的影響部も生じない。そこで、上記のように、2つの金属部材を低融点側および高融点側としたのは、それぞれの融点に応じて軟化点(軟化温度域)も同様な関係になることに着眼したためである。それ故、低融点側と高融点側とは、同じ加熱温度における軟質側と硬質側、低強度側と高強度側、または高硬度側と低硬度側と表現することも可能である。
また、前記接合ツールには、上記2つの金属部材よりも更に高融点で且つ硬質の金属または合金から成形されたものが用いられる。
更に、前記裏当材には、高融点側の金属部材よりも熱伝導率が低い素材からなり、且つ耐熱性を有するセラミックや金属材が用いられる。例えば、セラミック材のような耐熱性で且つ低熱伝導材が用いられ、加熱手段には、例えばヒータ線などが用いられる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態や実施例を図面などと共に説明する。
図1は、本発明の前提となる参考形態の接合方法に関する。
図1(A),(a)に示すように、アルミニウム合金材(低融点側の金属部材)1と無酸素銅(高融点側の金属部材)2とを重ね合わせ且つ拘束して、重合部4を形成する。アルミニウム合金材1の表面付近には、例えば高速度鋼からなる円柱形の本体11とその底面11aの中心部から同軸心で突設されたプローブ12とを含む接合ツール10が配置される。
【0011】
図1(a)に示すように、接合ツール10の本体11とプローブ12の軸心は、アルミニウム合金材1の表面に対する垂線よりも約5°傾けた姿勢で配置される。係る接合ツール10は、500〜15000rpmの回転数で回転され、且つその軸心に沿って1〜30kNの押し込み力を加えられつつ上記重合部4に向けて挿入されると共に、図1(a)で右側に50mm〜2メートル/分の移動速度で送られる。
図1(A),(a)に示すように、無酸素銅2における接合ツール10と対向する裏面付近には、断面矩形の裏当材6が重合部4に沿って配置される。この裏当材6は、無酸素銅2よりも熱伝導率が低い鋼材またはセラミックからなる。
【0012】
図1(B),(b)に示すように、回転する接合ツール10をアルミニウム合金材1側から挿入し、そのプローブ12を重合部4を通過させて無酸素銅2中に進入させると共に、図1(b)中の直線の矢印で示すように、重合部4に沿って右方向に移動させる。この間に、アルミニウム合金材1は、接合ツール10における本体11の底面11aとプローブ12の基端部付近とに接触し摩擦発熱して塑性・流動化する。また、無酸素銅2は、接合ツール10のプローブ12の先端部付近と接触して摩擦発熱して塑性・流動化する。
【0013】
そして、アルミニウム合金材1と無酸素銅2は、互いに攪拌されると共に、接合ツール10が離れるに従って両金属が混合状態で固化した接合部Wが形成される。この際、裏当材6は、無酸素銅2において発生した熱がその裏面側から放熱される事態を防ぐため、接合ツール10のプローブ12の先端部付近における無酸素銅2の温度降下を抑制する。この結果、重合部4付近におけるアルミニウム合金材1と無酸素銅2との発熱量の差が小さくなり、無酸素銅2の流動不足が解消されるため、内部欠陥(空洞)のない健全な接合部Wを得ることができる。
従って、接合ツール10の移動に伴って、重合部4に沿った健全な接合部Wが形成され、アルミニウム合金材1と無酸素銅2とを強固に重ね合わせて接合した各種の接合製品(例えば、トランス端子用の導電性接合体)を得ることができる。
【0014】
図2は、本発明の接合方法に関し、図2(A),(a)に示すように、アルミニウム合金材(低融点側の金属部材)1と無酸素銅(高融点側の金属部材)2とを重ね合わせ且つ拘束して、重合部4を形成する。アルミニウム合金材1の表面付近には、前記同様の素材からなり且つ前記同様の本体11およびプローブ12を含む接合ツール10が前記同様に傾斜して配置される。
図2(A),(a)に示すように、無酸素銅2における接合ツール10と対向する裏面付近には、断面矩形の裏当材8が重合部4に沿って配置される。この裏当材8も、無酸素銅2よりも熱伝導率が低い鋼材またはセラミックからなり、その内部には複数のヒータ線(加熱手段)9が内臓されている。
図2(B),(b)に示すように、予めヒータ線9に通電して裏当材8を加熱した状態で、回転する接合ツール10をアルミニウム合金材1側から挿入し、そのプローブ12の先端寄りを重合部4を通過させて無酸素銅2に進入させると共に、図2(b)中の直線の矢印で示すように、重合部4に沿って右側に移動させる。
【0015】
以上の間に、アルミニウム合金材1は、接合ツール10における本体11の底面11aとプローブ12の基端部とに接触して摩擦発熱して塑性・流動化すると共に、無酸素銅2も、接合ツール10のプローブ12の先端付近と接触して摩擦発熱して塑性・流動化する。その結果、アルミニウム合金材1と無酸素銅2は、互いに攪拌され、接合ツール10が離れるに従って両金属材料が混合状態で固化した接合部Wが形成される。この際、裏当材8は、無酸素銅2における摩擦熱が裏面側から放熱される事態を防ぐと共に、内臓した各ヒータ線9により無酸素銅2を更に加熱する。このため、接合ツール10のプローブ12の先端部付近における無酸素銅2の温度降下を一層確実に抑制する。
この結果、無酸素銅2の流動不足が解消されるので、内部欠陥(空洞)のない健全な接合部Wを得ることができる。従って、接合ツール10の移動に伴って重合部4に沿って健全な接合部Wが形成され、アルミニウム合金部材1と無酸素銅2とを強固に重ね合わせて接合した接合製品を得ることができる。
【0016】
【実施例】
ここで、前記接合方法の具他的な実施例を比較例と共に説明する。
JIS:A6063からなり長さ200mm×幅100mm×厚さ5mmのアルミニウム合金材1と同じサイズの無酸素銅2とを5組用意した。また、高速度鋼から成形され、直径20mmの本体11と、直径9mmで長さ6mmのプローブ12とを含む接合ツール10を用意した。
図2(A),(a)に示したように、各組のアルミニウム合金材1と無酸素銅2とを重ね合わせて、重合部4を各組別に形成し、各組の無酸素銅2の裏面側に同じ無酸素銅からなり、長さ200mm×幅100mm×厚さ10mmの共通のサイズを有する裏当材8を各組別に配置した。各組の裏当材8には、同じ配線のヒータ線9が内臓されている。そして、ヒータ線9に通電し、裏当材8の表面温度が100℃、200℃、400℃、500℃に個別に加熱された組をそれぞれ実施例1〜4とし、ヒータ線9に通電しなかった組を比較例とした。
【0017】
各例のアルミニウム合金材1の表面側から、前記図2(B),(b)に示したように、移動方向と反対側に5°傾けた接合ツール10を、回転数700rpm、押し込み圧力12.5kN、移動速度200mm/分の同じ条件で挿入し、重合部4に沿って移動させた。各例において、無酸素銅2における接合時の発熱温度を熱電対により測定すると共に、得られた各例の接合部Wを切断し、露出した断面を目視により観察して欠陥の有無を調べた。それらの結果を表1に示した。
【0018】
【表1】
【0019】
表1の結果によれば、実施例1〜4では、裏当材8の温度にほぼ比例して無酸素銅2の温度も高くなり、且つ無酸素銅2の温度が420℃の実施例2と470℃の実施例3では、接合部Wに内部欠陥を生じていなかった。また、無酸素銅2の温度が350℃とやや低い実施例1は、微細な内部欠陥に留まり、無酸素銅2の温度が520℃とやや高い実施例4では、接合部Wの表面に微細に凹んだ表面欠陥が観察された。これらから、実施例1は加熱不足により、プローブ12先端付近における無酸素銅2の温度低下を十分に防げず流動不足を僅かに生じ、逆に実施例4では、過加熱により、内部欠陥は阻止できたが、接合部Wの表面における流動抵抗がやや低下しため、微細な表面欠陥を招いたものと推定される。
一方、裏当材8を加熱しなかった比較例では、約0.2mmの粗大な内部欠陥(空洞)が発見された。即ち、比較例は、無酸素銅2中において流動不足が生じたため、粗大な内部欠陥が生じたものと推定される。
以上の実施例1〜4によって、本発明の接合方法の優位性が理解されよう。
【0020】
図3は、参考形態の接合方法に関し、図3(A),(B)に示すように、この方法に用いる接合ツール10は、高速度鋼からなる円筒形の本体11とその底面11aの中心部から突出するプローブ12を含み、該プローブ12の先端面(先端部)12aに、径方向に沿った一対の十字形を呈する凸条(凹凸部)14を突設している。
前記図1(A),(a)のように、アルミニウム合金材(低融点側の金属部材)1と無酸素銅(高融点側の金属部材)2とを重ね合わせて拘束し、重合部4を形成する。また、アルミニウム合金材1の表面付近には、本体11およびプローブ12を含み且つ上記一対の凸条14,14を有する上記接合ツール10を、前記同様に傾斜して配置する。但し、前記裏当材6は使用しない。
次いで、前記図1(B),(b)に示したように、回転する接合ツール10をアルミニウム合金材1側から挿入し、そのプローブ12の先端面12aを重合部4を通過させて無酸素銅2中に進入させると共に、図1(b)中の直線の矢印で示したように、重合部4に沿って右方向に移動させる。
【0021】
以上の間に、アルミニウム合金材1は、接合ツール10における本体11の底面11aとプローブ12の基端部付近とに接触して摩擦発熱して塑性・流動化すると共に、無酸素銅2も、接合ツール10のプローブ12の先端部および一対の凸条14,14に接触して摩擦発熱することにより、塑性・流動化する。
その結果、アルミニウム合金材1と無酸素銅2は、互いに攪拌され、接合ツール10が離れるに従って両金属が混合状態で固化した接合部Wが形成される。この際、無酸素銅2は、プローブ12の凸条14にも摩擦接触し、その接触面積の増加分に応じて発熱量が増加するため、流動不足を解消することができる。この結果、内部欠陥(空洞)のない健全な接合部Wを重合部4に沿って形成できる。
【0022】
また、図3(C),(c)に示すように、プローブ12の先端面12aに細かな立方体の突起(凹凸部)16を格子状に多数突設した形態や、図3(D),(d)に示すように、プローブ12の先端面12aにリング凸条(凹凸部)17,18,19を同心円状に突設した形態よっても、上記十字形で一対の凸条14と同様の作用・効果を得ることができる。
更に、図3(E),(e),(F)に示すように、接合ツール10のプローブ12における先端面12a寄りの周面(先端部)にその軸方向に沿った凹溝(凹凸部)13を複数形成した形態でも、上記凸条14と同様の作用・効果を得ることができる。尚、上記凹溝13に替えて多数の凹みを散点状に形成したり、あるいは、プローブ12周面の凹溝13や凹みと共に、その先端面12aに凸条14、突起16、またはリング凸条17,18,19などを併設することも可能である。
【0023】
図4は、異なる参考形態の接合方法とこれに用いる接合ツール20に関する。
前記請求項7に相当する接合ツール20は、図4(A),(B)に示すように、例えば高速度鋼からなり、円柱形の本体21とその底面21aの中心部に突設したプローブ基端部22とを含む第1部分20aと、この基端部22と同軸心のプローブ先端部24と上記本体21およびプローブ基端部22の軸心孔23を貫通する回転軸26とを含む第2部分20bと、係る第1部分20aと第2部分20bとの間に配置した複数の軸受28と、を含む。第1部分20aと第2部分20bとは、モータなどの専用の駆動源に対し個別に接続されている。尚、第1・第2部分20a,20b間の外端部寄りには、耐熱性のシール材29が配置される。
【0024】
図4(C),(D)に示すように、アルミニウム合金材(低融点側の金属部材)1と無酸素銅(高融点側の金属部材)2とを重ね合わせて拘束し、重合部4を形成する。また、アルミニウム合金材1の表面付近には、上記接合ツール20を前記同様に傾斜して配置する。この際、第2部分20bを第1部分20aよりも大きな回転数によって回転しつつ、接合ツール20に1〜30kNの押し込み力を加え且つ上記重合部4付近に向けて挿入すると共に、係る接合ツール20を図4(D)で右方向に50mm〜2メートル/分の移動速度で移動させる。
【0025】
以上の間に、アルミニウム合金材1は、第1部分20aにおける本体21の底面21aとプローブ基端部22とに接触して摩擦発熱して塑性・流動化すると共に、無酸素銅2も、第2部分20bのプローブ先端部24と接触して摩擦発熱して塑性・流動化する。その結果、アルミニウム合金材1と無酸素銅2とは、互いに攪拌され、接合ツール20が離れるに従って両金属が混合状態で固化した接合部Wが形成される。一方、無酸素銅2は、第2部分20bのプローブ先端部24に摩擦接触し、その回転数の増加分に応じて発熱量が増加するため、流動不足を解消することができる。これにより、内部欠陥(空洞)のない健全な接合部Wを重合部4に沿って形成可能となる。
【0026】
図5(A),(B)は、異なる参考形態の接合ツール20′を示す。
図示のように、接合ツール20′は、円柱形の本体21を含む第1部分20aと、この本体21の軸心孔23を貫通する回転軸26およびその先端に位置するプローブ25とを含む第2部分20bと、係る第1部分20aと第2部分20bとの間に配置した複数の軸受28と、を含む。第1・第2部分20a,20bは、モータなどの専用の駆動源に対し個別に接続され、且つ第1・第2部分20a,20b間の外端部寄りには、耐熱性のシール材29が配置されている。
以上のような接合ツール20′を用いても、プローブ25を含む第2部分20bの回転数を本体21の第1部分20aよりも大きくすることにより、前記図4(C),(D)に示したように、摩擦による入熱量が増加して、高融点側の銅部材2において塑性・流動化が確実に行われる。一方、第1部分20aの回転数を小さくするので、その本体21の底面21aに接触する低融点側のアルミニウム合金材1は、過度の摩擦発熱による溶融化を防ぐことができる。従って、接合ツール20′によっても健全な接合部Wを形成することが可能である。
【0027】
また、図5(C)は、更に異なる参考形態の接合ツール20″の断面を示す。接合ツール20″は、図5(C)に示すように、円柱形の本体21の外周部を含む第1部分20aと、本体21の軸心孔23を貫通する太径の回転軸26およびその底面27の中心部から同軸心に突出するプローブ25を含む第2部分20bと、係る第1部分20aと第2部分20bとの間に配置した複数の軸受28と、を含む。これら第1・第2部分20a,20bも、モータなどの専用の駆動源に対し個別に接続され、且つ第1・第2部分20a,20b間の外端部寄りには、耐熱性のシール材29が配置される。
以上のような接合ツール20″を用いても、接合ツール20′と同じく前記接合ツール20における作用・効果を同様に得ることが可能である。
【0028】
本発明は、以上において説明した形態および実施例に限定されない。
例えば、本発明における低融点側と高融点側の金属部材は、両者の間における融点または軟化点の差が100℃以上であるか、または、同じ加熱温度における引張強さなどの強度の差が100N以上であるか、あるいは硬度の差が30Hv以上であれば、異種金属やそれらの合金間の組合せは基より、同種金属の合金系同士でも適用可能である。
また、低融点側と高融点側の一対の金属部材における重ね合わせ部には、両部材の段部同士の間または雄・雌嵌合部も含まれ、且つ平面視で直線形に限らず、中間で屈曲する重合部やカーブする重合部も含まれる。
更に、前記裏当材8に設ける加熱手段は、前記ヒータ線9に限らず、放熱パイプやヒートパイプ、あるいはバーナーを内臓したラジアントチューブなども適用可能である。
また、前記接合ツール10のプローブ12の先端部に設ける凹凸部には、周面に刻設したネジ山や、先端面12aに突設する渦巻き形の凸条も含まれる。
【0029】
【発明の効果】
以上にて説明した本発明の接合方法によれば、接合ツールにおけるプローブ先端付近のみに接触する高融点側の金属部材における摩擦熱が裏面側へ逃げる事態を阻止し、高融点側の金属部材の流動・攪拌部における温度低下を抑制できる。このため、高融点側の金属部材における流動不足が解消されるので、低・高融点の2つの金属部材における重合部付近において、両者の金属が互いに塑性・流動しつつ攪拌される。しかも、プローブの先端付近と摩擦して発熱する高融点側の金属部材における摩擦熱が、当該金属部材の裏面側から放出される事態を防止でき、高融点側の金属部材における温度低下を抑制できる。更に、上記放熱を防ぐと共に裏面側から積極的に加熱することで、高融点側の金属部材の重合部付近における温度降下を防止できる。従って、内部欠陥および表面欠陥のない健全な接合部を形成する摩擦攪拌接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A),(B)は本発明の前提となる参考形態の接合方法の概略を示す正面図、(a),(b)はこれらの側面図。
【図2】(A),(B)は本発明の接合方法の応用形態の概略を示す正面図、(a),(b)はこれらの側面図。
【図3】(A),(B)は参考形態の接合方法に用いる接合ツールの側面図または斜視図、(C),(D)は異なる参考形態の凹凸部を示す底面図、(c)は(C)の参考形態の側面図、(d)は(D)中のd−d線に沿った視角における断面図、(E),(F)は更に異なる参考形態の接合ツールを示す側面図または斜視図、(e)は(E)中のe−e線に沿った視角における断面図。
【図4】(A),(B)は異なる参考形態の接合方法に用いる接合ツールの側面図または断面図、(C),(D)は異なる参考形態の接合方法を示す概略図。
【図5】(A),(B)は更に異なる参考形態の接合方法に用いる異なる形態の接合ツールの側面図または断面図、(C)は更に異なる形態の接合ツールの断面図。
【図6】(A)は従来の摩擦攪拌接合を示す概略図、(B),(C)はこれにより得られた接合部付近を示す断面図。
【符号の説明】
1………………アルミニウム合金材(低融点側の金属部材)
2………………無酸素銅(高融点側の金属部材)
4………………重合部
8………………裏当材
9………………ヒータ線(加熱手段)
10……………接合ツール
11……………本体
11……………底面
12……………プローブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a bonding how to friction stir welding in a state of superposition of two metal members having a melting point different from each other. In the present specification, aluminum includes an aluminum alloy.
[0002]
[Prior art]
When a direct melting method such as TIG or MIG welding is used in joining two metal members having different melting points, for example, an aluminum member and a copper member, an intermetallic compound is likely to be generated at the joint. In order to avoid this, a method such as friction welding, explosion welding or brazing is used for the joining.
However, when friction welding is used for joining the aluminum member and the copper member, the cross-sectional shape of the member to be joined is limited to a bar or a pipe. In addition, when explosion welding is used, the cross-sectional shape of the member to be joined is limited and the cost is increased. Furthermore, when brazing is used, there is a problem in that the quality of the bonded portion is not stable and the bonded product obtained when heated to a high temperature is easily deformed.
[0003]
It has been proposed to use friction stir welding in order to solve the above problems and join an aluminum member having a different melting point and another metal member. For example, when a probe that rotates at high speed is brought into contact with a joint where an aluminum member and a dissimilar metal member are overlapped, and the friction stir heat is applied and the friction stir welding is performed, the probe is inserted from the side of the member having high strength among the two members. A joining method for contacting is proposed (refer to Japanese Patent Laid-Open No. 10-137592). However, this joining method has a problem that it is difficult to insert the probe in the vicinity of the overlapping portion, and the life of the joining tool including the probe is shortened, so that the process management is complicated and expensive.
[0004]
Further, as shown in FIG. 6A, it hangs down from the center of the
[0005]
However, depending on the selection of the
On the other hand, if the number of rotations of the
[0006]
[Problems to be Solved by the Invention]
The present invention solves the problems in the prior art described above, and when a metal member having different melting points is friction stir welded, it is possible to reliably obtain a sound joint with no defects inside or near the surface. to provide mETHODS, it is an object of the present invention.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above problems, has been made by inspired like to increase the heat input in the pulp lobe tip close vicinity of put the welding tool.
In other words, junction method of the present invention includes the steps of superimposing a different pair of metal members melting point, among the pair of metal members, the body and its bottom surface of the cylindrical near the surface of the low melting point side of the metal member A step of disposing a bonding tool having a protruding probe and disposing a backing material in the vicinity of the back surface of the metal member on the high melting point side facing the bonding tool; and the pair of metals while rotating the bonding tool by moving along the longitudinal direction overlapping portions of the overlapping portion of and is advanced to the vicinity of the member, viewed including the steps, the friction stir joining along their overlapping portions of the pair of metal members, the backing material Is characterized by having a thermal conductivity lower than that of the metal member on the high melting point side and having a heating means .
[0008]
According to this, it is possible to prevent the frictional heat in the high melting point metal member contacting only near the tip of the probe having a smaller diameter than the main body of the welding tool from escaping to the back side, and the flow and stirring of the high melting point metal member. The temperature drop in the portion can be suppressed. For this reason, the lack of flow in the metal member on the high melting point side is eliminated. In addition, it is possible to prevent the frictional heat in the high melting point metal member that generates heat by friction with the vicinity of the tip of the probe from being released from the back side of the metal member, and to suppress the temperature drop in the high melting point metal member. . Furthermore, by preventing the heat dissipation and positively heating from the back side, it is possible to prevent a temperature drop in the vicinity of the overlapping portion of the metal member on the high melting point side .
Therefore, in the vicinity of the overlapping portion of the two low and high melting point metal members, the metals of both members are agitated while plastically flowing to each other, so that friction stir welding that forms a sound joint without internal defects and surface defects is performed. It can be carried out.
[0009]
The friction stir welding is a method in which two metal members are softened and joined in a solid state, and an intermetallic compound is not formed in the joint, and a thermally affected part is also generated in the vicinity of the joint. Absent. Therefore, as described above, the reason why the two metal members are set to the low melting point side and the high melting point side is that the softening point (softening temperature range) has a similar relationship according to the melting points. Therefore, the low melting point side and the high melting point side can also be expressed as a soft side and a hard side, a low strength side and a high strength side, or a high hardness side and a low hardness side at the same heating temperature.
In addition, a tool formed from a hard metal or alloy having a melting point higher than that of the two metal members is used as the joining tool.
Furthermore, the backing material is made of a material having a lower thermal conductivity than that of the metal member on the high melting point side, and a ceramic or metal material having heat resistance is used. For example , a heat-resistant and low thermal conductive material such as a ceramic material is used, and for example, a heater wire or the like is used as the heating means.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, preferred embodiments and examples for implementing the present invention will be described with reference to the drawings.
Figure 1 relates to junction method of Reference Embodiment underlying the present invention.
As shown in FIGS. 1A and 1A, an aluminum alloy material (a metal member on the low melting point side) 1 and an oxygen-free copper (a metal member on the high melting point side) 2 are overlapped and restrained to overlap each other. 4 is formed. Near the surface of the aluminum alloy material 1, a joining
[0011]
As shown in FIG. 1A, the axes of the
As shown in FIGS. 1A and 1A, a backing material 6 having a rectangular cross section is disposed along the overlapping
[0012]
As shown in FIGS. 1 (B) and 1 (b), a rotating joining
[0013]
Then, the aluminum alloy material 1 and the oxygen-
Accordingly, as the
[0014]
Figure 2 relates to the bonding how the present invention, as shown in FIG. 2 (A), (a), an aluminum alloy material (low-melting side of the metal member) 1 and the oxygen-free copper (refractory side metal member And 2) are overlapped and constrained to form the overlapping
As shown in FIGS. 2A and 2A, a
As shown in FIGS. 2 (B) and 2 (b), a
[0015]
During the above, the aluminum alloy material 1 is brought into contact with the
As a result, the lack of flow of the oxygen-
[0016]
【Example】
Here it will be described together with comparative examples ingredients other examples of the bonding method.
Five sets of an oxygen-
As shown in FIGS. 2 (A) and 2 (a), each set of aluminum alloy material 1 and oxygen-
[0017]
As shown in FIGS. 2 (B) and 2 (b), the joining
[0018]
[Table 1]
[0019]
According to the results of Table 1, in Examples 1-4, approximately the temperature proportional to oxygen-
On the other hand, in the comparative example in which the
From the above Examples 1 to 4 , the superiority of the joining method of the present invention will be understood.
[0020]
FIG. 3 relates to a joining method of a reference form . As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), a joining
As shown in FIGS. 1A and 1A, an aluminum alloy material (a metal member on the low melting point side) 1 and an oxygen-free copper (a metal member on the high melting point side) 2 are superposed and restrained to overlap each other. Form. Further, in the vicinity of the surface of the aluminum alloy material 1, the joining
Next, as shown in FIGS. 1B and 1B, the rotating joining
[0021]
During the above, the aluminum alloy material 1 is brought into contact with the
As a result, the aluminum alloy material 1 and the oxygen-
[0022]
Further, as shown in FIGS. 3C and 3C, a configuration in which a large number of fine cubic projections (uneven portions) 16 are provided in a lattice shape on the
Further, as shown in FIGS. 3E, 3E, and 3F, a groove (uneven portion) along the axial direction is formed on the peripheral surface (tip portion) of the
[0023]
FIG. 4 relates to a joining method of a different reference form and a joining
As shown in FIGS. 4A and 4B, the joining
[0024]
As shown in FIGS. 4C and 4D, an aluminum alloy material (low-melting-point side metal member) 1 and oxygen-free copper (high-melting-point side metal member) 2 are overlapped and restrained to overlap each other. Form. In addition, the joining
[0025]
As described above, the aluminum alloy material 1 is brought into contact with the
[0026]
FIGS. 5A and 5B show a
As shown in the figure, the joining
Even when the joining
[0027]
Further, FIG. 5C shows a cross-section of a joining
Even when the
[0028]
The present invention is not limited to the embodiments and examples described above.
For example, the metal member on the low melting point side and the high melting point side in the present invention has a difference in melting point or softening point between them of 100 ° C. or higher, or a difference in strength such as tensile strength at the same heating temperature. If it is 100 N or more, or if the difference in hardness is 30 Hv or more, the combination of different metals and their alloys can be applied to the same type of metal alloys as well as the base.
In addition, the overlapping portion of the pair of metal members on the low melting point side and the high melting point side includes the stepped portions of both members or a male / female fitting portion, and is not limited to a straight shape in a plan view. A polymer part that is bent in the middle and a polymer part that curves are also included.
Furthermore, the heating means provided on the
In addition, the concavo-convex portion provided at the distal end portion of the
[0029]
【The invention's effect】
According to the onset Ming joining method described in above, to prevent a situation in which the frictional heat in the refractory side of the metal member contacting only near the probe tip in the bonding tool escapes to the back side, the refractory side metal member The temperature drop in the flow / stirring section can be suppressed. For this reason, since the lack of flow in the metal member on the high melting point side is resolved, the two metals are agitated while being plastically and flowing with each other in the vicinity of the overlapping portion of the two metal members having low and high melting points. In addition, it is possible to prevent the frictional heat in the high melting point metal member that generates heat by friction with the vicinity of the tip of the probe from being released from the back side of the metal member, and to suppress the temperature drop in the high melting point metal member. . Furthermore, by preventing the heat dissipation and positively heating from the back side, it is possible to prevent a temperature drop in the vicinity of the overlapping portion of the metal member on the high melting point side . Accordingly, it is possible to perform friction stir welding that forms a sound joint without internal defects and surface defects.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are front views showing an outline of a joining method according to a reference embodiment as a premise of the present invention , and FIGS. 1A and 1B are side views thereof.
Figure 2 (A), (B) is a front view showing a schematic modified embodiment of the present onset Ming bonding method, (a), (b) these side views.
FIGS. 3A and 3B are a side view or a perspective view of a joining tool used in a joining method of a reference form, FIGS. 3C and 3D are bottom views showing uneven portions of different reference forms, and FIG. Is a side view of the reference form of (C), (d) is a cross-sectional view at a viewing angle along the line dd in (D), and (E) and (F) are side views showing a welding tool of another reference form. The figure or a perspective view, (e) is sectional drawing in the viewing angle along the ee line in (E).
FIGS. 4A and 4B are a side view or a cross-sectional view of a joining tool used in a joining method of different reference forms, and FIGS. 4C and 4D are schematic views showing a joining method of different reference forms .
FIGS. 5A and 5B are side views or cross-sectional views of different types of bonding tools used in the bonding method of different reference forms, and FIG. 5C is a cross-sectional view of still different types of bonding tools.
FIGS. 6A and 6B are schematic views showing conventional friction stir welding, and FIGS. 6B and 6C are cross-sectional views showing the vicinity of a joint obtained as a result.
[Explanation of symbols]
1 ……………… Aluminum alloy material (metal member on the low melting point side)
2 ……………… Oxygen-free copper (high melting point metal member)
4 ……………… Polymerization
10 …………… Joining
Claims (1)
上記一対の金属部材のうち、低融点側の金属部材の表面付近に円柱形の本体とその底面に突設したプローブとを有する接合ツールを配置し、且つ高融点側の金属部材における上記接合ツールと対向する裏面付近に裏当材を配置する工程と、
上記接合ツールを回転させつつ上記一対の金属部材の重合部付近に進入させ且つ係る重合部の長手方向に沿って移動させることにより、上記一対の金属部材をその重合部に沿って摩擦攪拌接合する工程と、を含み、
上記裏当材は、高融点側の金属部材よりも低い熱伝導率のもので、且つ加熱手段を有するものである、
ことを特徴とする接合方法。Superimposing a pair of metal members having different melting points;
Of the pair of metal members, a joining tool having a cylindrical main body and a probe projecting from the bottom surface is disposed near the surface of the metal member on the low melting point side, and the joining tool in the metal member on the high melting point side Placing a backing material near the back surface opposite to
The pair of metal members are friction stir welded along the overlapped portion by rotating the joining tool and entering the vicinity of the overlapped portion of the pair of metal members and moving along the longitudinal direction of the overlapped portion. and the process, only including,
The backing material has a thermal conductivity lower than that of the metal member on the high melting point side and has a heating means .
The joining method characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000266932A JP3864684B2 (en) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | Joining method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000266932A JP3864684B2 (en) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | Joining method |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006164147A Division JP4453682B2 (en) | 2006-06-14 | 2006-06-14 | Joining method and joining tool |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002079383A JP2002079383A (en) | 2002-03-19 |
JP3864684B2 true JP3864684B2 (en) | 2007-01-10 |
Family
ID=18753937
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000266932A Expired - Fee Related JP3864684B2 (en) | 2000-09-04 | 2000-09-04 | Joining method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3864684B2 (en) |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3937984B2 (en) * | 2002-09-09 | 2007-06-27 | 松下電器産業株式会社 | Manufacturing method of heat sink for electronic parts |
WO2004074667A1 (en) | 2003-01-28 | 2004-09-02 | Honda Motor Co., Ltd. | Cylinder block and cylinder sleeve, method of producing cylinder block and cylinder sleeve by friction stir welding, and friction stir welding method |
US6913186B2 (en) | 2003-09-11 | 2005-07-05 | The Boeing Company | Apparatus and method for friction stir welding with a variable speed pin |
JP4804011B2 (en) * | 2005-02-02 | 2011-10-26 | 住友軽金属工業株式会社 | Friction stir spot welding method |
DE102005019758B4 (en) * | 2005-04-28 | 2007-12-13 | Hydro Aluminium Deutschland Gmbh | Method and apparatus for joining at least two components made of dissimilar materials |
JP4756921B2 (en) * | 2005-06-09 | 2011-08-24 | 住友軽金属工業株式会社 | Method for joining end faces of superposed materials |
DE102005029882A1 (en) * | 2005-06-27 | 2006-12-28 | Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh | Friction stir welding apparatus includes first inner segment surrounding a pin and having first friction surface segment surrounding the first inner segment and rotationally driven independently of the first inner segment |
WO2008090633A1 (en) * | 2007-01-22 | 2008-07-31 | Susumu Hioki | Friction stir welding apparatus and method of welding |
JP2010005687A (en) * | 2008-06-30 | 2010-01-14 | Mitsui Mining & Smelting Co Ltd | Composite material and method for manufacturing the same |
EP2496381A4 (en) * | 2009-11-02 | 2017-07-05 | Megastir Technologies LLC | Out of position friction stir welding of casing and small diameter tubing or pipe |
JP5022502B2 (en) * | 2011-02-07 | 2012-09-12 | 川崎重工業株式会社 | Friction stir welding equipment |
JP6052232B2 (en) | 2014-01-27 | 2016-12-27 | 日本軽金属株式会社 | Joining method |
WO2015060007A1 (en) | 2013-10-21 | 2015-04-30 | 日本軽金属株式会社 | Method for manufacturing heat transfer plate and joining method |
CN107283044A (en) * | 2017-08-05 | 2017-10-24 | 宁波金凤焊割机械制造有限公司 | A kind of manufacture method of high ferro Wiring nose |
JP7173081B2 (en) * | 2020-04-08 | 2022-11-16 | Jfeスチール株式会社 | Friction stir welding method for aluminum alloy plate and steel plate |
CN113369670B (en) * | 2021-06-16 | 2023-12-05 | 西北工业大学 | Method for improving backfill type friction stir spot welding efficiency |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5187146A (en) * | 1975-01-30 | 1976-07-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | HAGURUMAKAMI AISOKUTEIKI |
US5697544A (en) * | 1996-03-21 | 1997-12-16 | Boeing North American, Inc. | Adjustable pin for friction stir welding tool |
JP3771972B2 (en) * | 1996-08-30 | 2006-05-10 | 昭和電工株式会社 | Friction stir welding method |
JP3081804B2 (en) * | 1997-01-22 | 2000-08-28 | 昭和アルミニウム株式会社 | Friction stir welding |
JPH10328855A (en) * | 1997-05-30 | 1998-12-15 | Showa Alum Corp | Manufacture of conductive joined body joined with different kinds of metal |
JP2000153374A (en) * | 1998-11-18 | 2000-06-06 | Hitachi Ltd | Frictional agitation joining device, frictional agitation joining tool and frictional agitation joining structure |
JP2001252774A (en) * | 2000-03-10 | 2001-09-18 | Showa Denko Kk | Method of friction stir joining |
JP3709972B2 (en) * | 2000-03-17 | 2005-10-26 | 住友軽金属工業株式会社 | Aluminum alloy spot joining method and apparatus |
-
2000
- 2000-09-04 JP JP2000266932A patent/JP3864684B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002079383A (en) | 2002-03-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3864684B2 (en) | Joining method | |
JP3897391B2 (en) | Friction stir welding method for metal joining members | |
JP6350334B2 (en) | Joining method and composite rolled material manufacturing method | |
TWI391199B (en) | Friction stir method | |
JP2008221338A (en) | Tapered friction stir welding tool | |
JP2000246465A (en) | Tool for friction agitation joining | |
JP2005288499A (en) | Friction stir welding method and reforming method thereby | |
JP2004025296A (en) | Friction welding device and method | |
JP4732571B2 (en) | Friction stir welding tool and friction stir welding method | |
JP4453682B2 (en) | Joining method and joining tool | |
JP3295376B2 (en) | Friction stir welding | |
CN104159696A (en) | Method for joining two essentially metal sheet-type workpieces using friction squeeze welding | |
JP2000042781A (en) | Method for repairing recessed defect part | |
JP3935234B2 (en) | Manufacturing method of butt joint | |
JP2002248582A (en) | Friction stir welding method | |
JP3452044B2 (en) | Friction stir tool, joining method using the same, and method for removing fine voids on casting surface | |
JPH1158040A (en) | Friction-stirring-joining method for different kind of metal-made works | |
JP7173081B2 (en) | Friction stir welding method for aluminum alloy plate and steel plate | |
JP2000225476A (en) | Friction-stir-welding method for works made of metal | |
JP7347234B2 (en) | Liquid cooling jacket manufacturing method and friction stir welding method | |
JP2005186072A (en) | Method of movable surface-friction welding for joining thin plate | |
JP2004066331A (en) | Friction agitation welding method of different kind of metal | |
JP2003225777A (en) | Friction stirring and joining tool | |
JP6662210B2 (en) | Joining method | |
JP2004042095A (en) | Apparatus and method for frictional stir welding |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060510 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060516 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060612 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060912 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060925 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091013 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101013 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111013 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111013 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121013 Year of fee payment: 6 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |